Was sind Sandbatterien? Alles, was Sie wissen müssen

Nachrichten über eine Sandbatterie aus Finnland machten kürzlich Schlagzeilen, obwohl dieses System nur Wärme speicherte und wieder abgab.

Bei der thermischen Wärmespeicherung handelt es sich nicht um eine neue Technologie, sondern um einen Pilotversuch Projekt beleuchtet einige der zukünftigen Möglichkeiten grüner Energietechnologien und -systeme.

Dieser Beitrag befasst sich mit der Technologie rund um Sand zur Energiespeicherung sowie mit ähnlichen Technologien und was sie für die Welt bedeuten.

Energie aus Sand?

Natursand besitzt viele Eigenschaften, die ihn zu einem idealen Medium für die Speicherung von Wärmeenergie machen. Sie können es ohne Probleme auf Temperaturen über 1,000 °C (1,832 °F) erhitzen und es kann diese Wärme für Tage, Wochen und sogar Monate mit minimalem Verlust halten.

Wenn Sie bedenken, dass eine Batterie ein Mittel ist, um Energie zu speichern, die zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugt wurde, um sie zu einem anderen Zeitpunkt zu verwenden, dann ist Sand, der mit elektrischer Energie zur Speicherung und späteren Verwendung erhitzt wird, eine Batterie.

Die virale Sandbatterie aus Finnland

Im westfinnischen Bezirk Kankaanpää liegt ein patentiertes Wärmespeicher-Energiesystem, das von entwickelt wurde Polare Nacht. Es nutzt überschüssige elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen, um Sand in einem 7 Meter hohen und 4 Meter breiten Silo auf bis zu 600 °C (1,112 °F) zu erhitzen, um ihn zu speichern und später im Fernwärmenetz zu nutzen.

Hier gilt es, einige Dinge zu beachten. Erstens ist die verwendete Energie überschüssige Erzeugung aus erneuerbaren Quellen wie Wind und Sonne. Damit entfällt jeder objektive Vergleich mit anderen Energiespeichersystemen für kommerzielle Zwecke.

Zweitens dient das System ausschließlich der thermischen Speicherung und Abgabe – das heißt, die elektrische Energie wird in Wärme umgewandelt und im Sand gespeichert. Dann wird die Wärme bei Bedarf entnommen und an Haushalte und Fabriken verteilt, wo sie benötigt wird.

Drittens kann natürlicher Sand eine beeindruckende Menge an Energie speichern. Zum Beispiel fasst diese finnische Polar Night-Batterie 100 Tonnen Sand bei etwa 600 Grad Celsius, für insgesamt 8 MWh gespeicherte Energie bei einer Heizleistung von 100 kW. Das macht Sand zu einem wahnsinnig günstigen Energiespeicher ohne ausgefallene Technologien, Installationen oder gefährliche Anforderungen.

Über saisonale thermische Energiespeicherung

Seasonal Thermal Energy Storage oder kurz STES gibt es schon sehr lange. In seiner einfachsten Form könnten Sie im Sommer warmes Wasser vom Dach sammeln und in einem unterirdischen Tank speichern, den Sie dann im Winter zum Heizen verwenden können.

Die meisten STES-Systeme speichern Wärme jedoch bei weniger als 100 °C, was sie zum Heizen von Wohnungen und Büros geeignet macht, aber weniger ideal für andere industrielle Anwendungen oder die Stromerzeugung.

Die Methode ist einfach, Sie setzen jedes Medium, das Wärme einfangen und halten kann, einer Strahlungsquelle aus, wie z. B. der Sonne, industriellen Wärmeabfällen usw. Die Effizienz des Systems hängt vom Wärmeaustauschverfahren und dessen Effizienz ab.

Als nächstes müssen Sie das erwärmte Medium in einem isolierten Gehäuse lagern, um den Energieverlust zu minimieren. Einige Gehäuse können die Wärme viele Monate lang gut halten.

Schließlich wird das Speichermedium im Winter abgepumpt, um Wohnungen und Büros zu heizen, indem es durch einen anderen Wärmetauscher, wie z. B. einen Heizkörper, geleitet wird. Übliche Materialien, die als STES-Speichermedien verwendet werden, umfassen Wasser, Öl, Erde, Salzhydrate und so weiter.

Beliebte Anwendungen gespeicherter Wärmeenergie

Gespeicherte Wärmeenergie hat je nach beabsichtigter Anwendung viele Verwendungsmöglichkeiten. Hier sind die beliebtesten:

1. Beheizung von Wohnungen und Büros – Gespeicherte Wärme kann Wohn- und Arbeitsräume im Winter problemlos beheizen.
   
2. Hot Water – Die Wärme kann auch übertragen werden, um immer bereites Warmwasser für den täglichen Gebrauch bereitzustellen.
   
3. Industrielle Anwendungen – Heißes Wasser wird für eine Vielzahl industrieller Anwendungen verwendet, vom Mischen bis zum Reinigen, der Lebensmittelverarbeitung, der Herstellung von Lösungsmitteln, der Sterilisation und vielem mehr.
   
4. Stromerzeugung  – Sie können auch gespeicherte Wärmeenergie verwenden, um Wasser zu Dampf zu erhitzen und damit Turbinen anzutreiben, die wiederum Generatoren antreiben, die elektrischen Strom erzeugen.

Die Wirtschaftlichkeit einer Sandbatterie

Wasser kann im Vergleich zu Sand mehr Energie speichern, wird aber ab 100°C (212°F) aufwärts instabil, während Sand leicht Temperaturen von 600°C (1112°F) aufnehmen kann.

Wasser behält auch seine Wärmeenergie länger als Sand, was Wasser zu einem besseren Medium für die saisonale Energiespeicherung macht. Wenn Sie jedoch eine Anwendung in Betracht ziehen, die die Wärme innerhalb von Stunden oder nur wenigen Tagen verbraucht, ist Sand wieder eine Top-Option. Es eignet sich perfekt zur Ergänzung intermittierender Energiequellen wie PV, Sonne und Wind.

Zurück zur finnischen Sandbatterie: Der 7 Meter hohe Stahlbehälter ist für 100 Tonnen Sand ausgelegt, die bis zu 8 MWh Energie fassen.

Zum Vergleich: Der durchschnittliche US-Haushalt verbraucht etwa 10 MWh Energie pro Jahr, während diese Zahl in Europa zwischen etwa 2 MWh in Rumänien und 9 MWh in Schweden variiert. Außerdem werden im Winter 30-50 % der Energie zum Heizen verwendet.

Das bedeutet, dass ein 7 Meter hoher Sandspeicher genug Strom produzieren kann, um ein paar Häuser im Winter zu heizen, und abhängig von Ihrem Standort. Aber es wäre eine unpraktische Anwendung in städtischen Zentren mit einer dichten Bevölkerung, angesichts seiner Größe.

Die Umwandlung seiner 100 kW Heizleistung zu 30 % in Strom kann andererseits tagsüber genug Strom für über 20 Haushalte und nachts für viele weitere Haushalte erzeugen.

Bei richtiger Optimierung kann eine Sandbatterie, die etwa 5 US-Dollar pro kWh Kapazität kostet, eine großartige Alternative zu den aktuellen Kosten von über 100 US-Dollar pro kWh für Blei-Säure- und Lithium-Ionen-Batteriesysteme sein. Ja, es könnte sperriger sein, aber es ist viel billiger.

Sandbatterien zur Stromerzeugung

Die Speicherung thermischer Energie für die spätere Nutzung zur Stromerzeugung ist eine bewährte und zuverlässige Technologie, die in implementiert wurde Konzentrierte Solarenergie (CSP) Projekte seit Jahrzehnten.

Die Energie in einem modernen CSP-System wird durch die Konzentration von Hunderten oder Tausenden von Spiegeln in einem einzigen Ofen eingeschlossen. Diese Spiegel werden dann den ganzen Tag über der Sonne nachgeführt, um eine konstante Hitze am Ofen von bis zu 565 °C (1,049 °F) zu gewährleisten.

CSP-Anlagen sind oft sehr groß und umfassen eine Fläche von mehreren Millionen Quadratfuß (~1+km2), mit ihren Solarempfängern im Zentrum und Stromerzeugungskapazitäten im Bereich von über 100 Megawatt.

Eine Salzschmelzemischung mit 60 % Natriumnitrat und 40 % Kaliumnitrat wird zur Speicherung von Energie in CSP-Anlagen zur nächtlichen Erzeugung verwendet. Anders als die Sandbatterie schmilzt dieses Salzgemisch jedoch bei hohen Temperaturen und lässt es wie eine Flüssigkeit fließen.

Sowohl CSP- als auch Sandbatteriesysteme wandeln Sonnenenergie in Wärmeenergie mit ungefähr gleichen Wirkungsgraden von 15-20 % um. Aber während CSP-Schmelzsalzsysteme einen Wirkungsgrad von etwa 50 % bei der Umwandlung der gespeicherten Wärme in Strom haben, hat die finnische Sandbatterie einen theoretischen Wirkungsgrad von 20–25 %.

CSP-Systeme sind kommerziell rentabel. Wenn Sie also diese finnische Batterie so optimieren können, dass sie einen Wirkungsgrad von über 30 % bei der Umwandlung von Wärme in Strom erreicht, kann sie zu einer praktikablen Technologie werden, um erneuerbaren Strom kostengünstig zu speichern und bereitzustellen.

Ähnliche Speichertechnologien

Es gibt viele andere Formen der Energiespeicherung, jede mit ihren Vor- und Nachteilen. Zu den beliebtesten Typen gehören:

1. Elektrochemische Energiespeicherung – Wie Sie es in Batterien finden würden, nutzt dies die Potenzialdifferenz zwischen zwei Elementen, um Energie mithilfe reversibler elektrochemischer Reaktionen zu speichern und freizusetzen.
   
2. Mechanische Energiespeicherung – Dies beinhaltet verschiedene Methoden, einschließlich der Verwendung von Schwungrädern und Federn sowie Gravitationssystemen, die Energie in einem Objekt speichern, indem sie es hochziehen und seine Höhe erhöhen.
   
3. Flüssigsalz-Energiespeicher (MSES) – Die Speicherung erfolgt hier thermisch, beispielsweise durch eine Kombination aus 60 % Natriumnitrat und 40 % Kaliumnitrat.
   
4. Thermalwasser – Diese Methode kann bis zu speichern 6kWh Energie in einem 50-Gallonen-Heißwassertank.
   
5. Gepumpte Hydro – Die günstigste Form der Energiespeicherung. Das Hauptproblem sind jedoch die begrenzten Standorte, an denen es implementiert werden kann.
   
6. Druckluft – Ähnlich wie bei der Wasserkraft komprimiert diese Methode einfach Luft, um Energie zu speichern. Wenn Sie dann die Energie benötigen, geben Sie die komprimierte Luft ab, um eine Turbine anzutreiben.
   
7. Schwungrad – Sie verwenden einfach Energie, um ein gut ausbalanciertes Rad zu drehen, und speichern sie dabei als kinetische Energie, die entweder zur Fortbewegung oder zur Stromerzeugung verwendet werden kann.
   
8. Flow-Batterie – Dies ist ein elektrochemisches Speichersystem, bei dem sich die Elektrolyte in verschiedenen Tanks befinden und von einem voll geladenen Tank zu einem leeren Ladetank fließen müssen. Um die Elektrolyte aufzuladen, kehren Sie dann einfach den Fluss um. Mit dieser Methode können sehr leistungsstarke Batterien hergestellt werden, da die beiden Elektrolyte durch eine Membran interagieren, die Sie umfassend skalieren können.
   
9. Phasenwechselmaterialien – Diese Materialien nehmen beim Schmelzen Energie auf und geben sie beim Erstarren wieder ab. Sie sind ideal, um thermische Energie bei präzisen Temperaturen zu speichern.

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

Fazit

Wir sind am Ende dieser Untersuchung von Sandbatterien und ihrem wirtschaftlichen Potenzial angelangt. Und wie Sie sicherlich bemerkt haben, bieten sie viele Möglichkeiten.

Von der Bereitstellung von Wärme für Gemeinden bis hin zur Stromerzeugung macht die Spottbilligkeit von Quarzsand ihn zu einem vielversprechenden Medium für zukünftige Energieprojekte.